Как астрофизики расшифровывают «космический код» Вселенной 0:04
За последние 25 лет человечество совершило невероятный прорыв в понимании эволюции и происхождения Вселенной, однако фундаментальные загадки космоса всё ещё ждут своих ответов. Профессор астрофизики Хиранья Пейрис (Hiranya Peiris) в своём выступлении в The Royal Institution объяснила, что для решения этих тайн современные учёные создают «многогранный инструментарий», объединяющий данные масштабных астрономических обсерваторий, передовые технологии искусственного интеллекта и результаты экспериментов в лабораторных условиях.
🌌 Взгляд в прошлое: от «детских снимков» до структуры космоса 1:27
Космология опирается на тот факт, что свет имеет конечную скорость, поэтому наблюдение за отдалёнными объектами фактически является путешествием во времени. Изучая древнейший свет — реликтовое излучение (космический микроволновый фон), возникшее 13,8 млрд лет назад, учёные получили «детский снимок» Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет.
Данные миссии Planck позволили измерить параметры космологической модели с невероятной точностью. Пейрис отмечает, что вся информация о ранней Вселенной описывается всего шестью числами. Однако три из них остаются загадкой:
- Тёмная материя: таинственная субстанция, удерживающая структуру космоса.
- Тёмная энергия: сила, ускоряющая расширение Вселенной.
- Ранняя неоднородность: ответ на вопрос, почему материя в начале времён была распределена «комковато», что под действием гравитации привело к созданию нынешних галактик.
По словам Пейрис, эти три элемента не входят в стандартную теорию физики элементарных частиц и составляют 95% энергетического бюджета Вселенной. Ведущая гипотеза гласит, что через крошечный миг после Большого взрыва поле инфлатона вызвало стремительное расширение Вселенной в $10^{26}$ раз, растянув квантовые пульсации в структуру, которую мы видим сегодня.
🔭 Эра Big Data: миллиард галактик в объективе 7:49
История изучения галактик насчитывает менее 100 лет: лишь в октябре 1923 года Эдвин Хаббл доказал, что Андромеда находится за пределами Млечного Пути. Сегодня исследователи сталкиваются с проблемой измерения расстояний в расширяющейся Вселенной.
Главной надеждой космологов становится обсерватория Веры Рубин (Vera C. Rubin Observatory) и её проект Legacy Survey of Space and Time (LSST), запуск которого намечен на январь 2025 года.
- Масштаб: каждые три дня в течение 10 лет обсерватория будет сканировать всё южное небо, создавая своего рода «фильм» о развитии Вселенной.
- Объём данных: 60 петабайт необработанных и 500 петабайт обработанных данных.
- Технологии: цифровая камера с разрешением 3,2 гигапикселя, способная запечатлеть область неба размером с 40 полных лун одновременно.
Для анализа этого «потока данных» используются методы машинного обучения. Пейрис рассказала об использовании диффузионных моделей, которые «обучаются» на сложных зависимостях свойств галактик, позволяя предсказывать их распределение и расстояние, даже когда точные спектральные данные недоступны для каждого из миллиарда объектов.
🧪 Охота за «невидимым»: эксперимент ALPHA 35:50
Одной из самых интригующих задач остаётся идентификация частицы тёмной материи. Пейрис выделяет два главных кандидата:
- ВИМПы (WIMPs): слабо взаимодействующие массивные частицы.
- Аксионы: гипотетические частицы, которые ведут себя как волны и могут помочь решить проблему «тонкой настройки» в стандартной модели физики.
Поскольку масса аксиона неизвестна, поиск похож на настройку радиоприёмника на нужную частоту. Проблема заключается в том, что для обнаружения сигнала требуются разные резонаторы для разных масс. Пейрис с коллегами предложили использовать метаматериалы — структуры из вертикальных проволок, меняющих эффективную массу фотона. Это позволяет «настраиваться» на разные частоты в одном и том же эксперименте. Этот проект под названием ALPHA сейчас строится в Йельском университете.
🏔️ Пузырьковые Вселенные и физика в чашке воды 46:37
Инфляция может означать, что наше пространство — лишь один из множества «пузырей» в гораздо более обширной мультиВселенной. Теоретическое описание процесса «туннелирования» (перехода между состояниями вакуума с разной энергией) является крайне сложной задачей.
Чтобы лучше понять физику ранней Вселенной, Пейрис предлагает лабораторные аналоги:
- Эксперимент в Кембридже: использование конденсатов Бозе — Эйнштейна при температурах, близких к абсолютному нулю, для имитации квантового распада вакуума.
- Аналогия с тибетской поющей чашей: Пейрис продемонстрировала, как с помощью параметрического резонанса — мелких вибраций — в воде образуются пузырьки. Этот процесс подобен тому, как после окончания инфляции энергия инфлатонного поля превращалась в частицы Стандартной модели.
В заключение Хиранья Пейрис подчеркнула, что прогресс в космологии требует синергии между теоретической физикой, сложными экспериментами и передовыми алгоритмами обработки данных, что делает современный этап исследований одним из самых захватывающих в истории науки.
